Caractéristiques Électrophysiologiques de la Véritable Direction de la Tête chez l’Humain

La navigation est l’une des composantes centrales des phénomènes cognitifs complexes chez l’humain, où l’information sur la direction de la tête est cruciale pour se situer dans l’espace. Cependant, puisque la plupart des expériences en neuroimagerie demandent que la tête soit fixée en une position précise, et que les signaux de la vraie direction de la tête nécessitent une rotation physique de celle-ci, notre compréhension de la manière dont le cerveau humain adapte ces signaux de direction est relativement limitée. Pour résoudre ce problème, Benjamin J. Griffiths et son équipe ont publié un article intitulé “Electrophysiological signatures of veridical head direction in humans” dans la revue Nature Human Behaviour. Le lien vers l’article est : https://doi.org/10.1038/s41562-024-01872-1.

Contexte de l’Étude

La perception humaine de la direction de la tête dépend principalement de la rotation physique de celle-ci. Jusqu’à présent, la majeure partie des études neurophysiologiques sur ce phénomène provient de recherches sur les rongeurs. Ces études montrent qu’une seule unité cérébrale réagit sélectivement à la direction actuelle de la tête. Ces cellules de “direction de la tête” tirent de manière sélective lorsqu’un animal est orienté vers un certain angle de l’environnement, indépendamment de la position physique de l’animal. De plus, perturber ces cellules de direction de la tête affecte la représentation spatiale, soulignant l’importance de cette représentation pour la navigation.

Motivation de l’Étude

Bien que les recherches sur les animaux aient révélé l’importance de ces cellules de direction de la tête, étudier directement ce phénomène dans le cerveau humain présente de nombreux défis. Les techniques d’imagerie traditionnelles (comme la magnétoencéphalographie et l’imagerie par résonance magnétique) nécessitent une position fixe de la tête pour réduire les artefacts, ce qui limite les conclusions sur la navigation active. En revanche, l’électroencéphalographie (EEG), n’étant pas restreinte par les mouvements corporels, peut être utilisée pour mesurer l’activité cérébrale pendant le mouvement. Par conséquent, Griffiths et son équipe ont souhaité étudier l’adaptation des signaux réels de la direction de la tête dans le cerveau humain en utilisant l’EEG et l’électrophysiologie intracérébrale (iEEG).

Source de Référence

Cette étude a été menée par Benjamin J. Griffiths (département de psychologie de Ludwig-Maximilians-Universität München), Thomas Schreiner, Julia K. Schaefer et d’autres. Les institutions de recherche participantes incluent le département de psychologie de Ludwig-Maximilians-Universität München, le centre de santé cérébrale humaine de l’université de Birmingham, l’hôpital de Ludwig-Maximilians-Universität et le centre d’épilepsie de Ludwig-Maximilians-Universität. La recherche a été soumise le 12 juillet 2023, acceptée le 22 mars 2024, et publiée en ligne dans la revue Nature Human Behaviour.

Conception de l’Expérience et Déroulement de l’Étude

L’étude a inclus deux expériences séparées avec respectivement 32 et 20 participants sains ainsi que 10 patients épileptiques. Les participants sains ont effectué diverses tâches de direction tout en étant enregistrés par EEG et le suivi des mouvements, où ils devaient physiquement tourner la tête vers une position cible. Les patients ont effectué les mêmes tâches tout en enregistrant les iEEG et les mouvements.

Déroulement de l’Expérience

1. Expérience 1 : Tâche de localisation

   • Un total de 32 participants a complété quatre tâches de direction, incluant des rotations sans indication, des rotations avec indication auditive, une tâche de mouvement oculaire et des rotations sans entrée visuelle. Un modèle de codage avant (FEM) validé par croisement a été utilisé pour prédire l’activité EEG basée sur la direction de la tête.
   • Détails des tâches :
     • Rotation sans indication : Les sujets tournent la tête vers un écran désigné uniquement à l’aide de repères visuels.
     • Rotation avec indication auditive : En plus des repères visuels mobiles, des sons d’animaux correspondants sont diffusés pour indiquer la direction à suivre.
     • Tâche de mouvement oculaire : Les sujets doivent seulement déplacer leurs yeux vers l’écran cible tout en maintenant la tête immobile.
     • Rotation sans entrée visuelle : Les sujets portent un casque de réalité virtuelle ne montrant qu’un point fixe et doivent tourner la tête selon les indications sonores.

2. Expérience 2 : Comparaison debout et assis

   • Un total de 20 participants a complété les tâches de direction en changeant de position (debout ou assis). L’objectif principal était de valider les résultats de la première expérience et de distinguer les signaux de direction de la tête spécifiques de ceux indépendants de la position.

Traitement des Données et Méthodes d’Analyse

• Traitement des données EEG : Après acquisition, les signaux EEG ont été traités avec des filtres passe-haut et passe-bas, les artefacts ont été supprimés puis les données ont été référencées à nouveau. Les composants les moins associés à l’activité musculaire ont été extraits via une analyse en composantes indépendantes (ICA) et une analyse en composantes principales (PCA).
• Traitement des données de suivi du mouvement : Les mouvements de la tête ont été enregistrés via un système de capture de mouvement Dominik, et les angles de rotation de la tête ont été extraits.
• Traitement des données de suivi oculaire : Les données ont été enregistrées avec le système Tobii Pro Spectrum et analysées par filtrage et suppression des artefacts.
• Modèle de codage avant (FEM) : En utilisant des bases angulaires indépendantes de la direction de la tête, les poids relatifs des activités EEG ont été estimés par régression ridge, et ensuite évalués via un modèle linéaire à effets mixtes (LME) pour discriminer les différents signaux électrophysiologiques de direction de la tête.

Principaux Résultats de l’Étude

1. Résultats de l’adaptation des données EEG : Les signaux EEG se sont avérés nettement adaptés aux changements de direction de la tête, avec une largeur de réglage optimal de 20°. Même après contrôle des signaux visuels et de l’activité musculaire, l’activité EEG pouvait encore prédire les changements de direction de la tête.
2. Signaux indépendants de l’espace : Des signaux situés dans les régions visuelles et temporales médianes du cerveau ont été identifiés comme indépendants des entrées visuelles et des variations de position, évoquant des phénomènes analogues aux cellules de direction de la tête chez les rongeurs.
3. Effet de prédiction temporelle : Les signaux EEG atteignaient un pic environ 120 millisecondes avant la rotation physique de la tête, en corrélation avec les caractéristiques de prédiction précoce observées dans les études animales.
4. Origine des signaux cérébraux : Grâce à l’analyse de localisation des sources EEG et des enregistrements iEEG, le lobe temporal médian a été identifié comme l’origine des effets de direction de la tête. De plus, la couronne pariétale, les régions frontales et autres ont également montré des effets de réglage.

Conclusion et Importance de l’Étude

Cette étude a détecté pour la première fois des signaux électrophysiologiques liés à la vraie direction de la tête chez des participants humains en libre mouvement. Ces résultats présentent une similarité significative avec l’activité des cellules de direction de la tête chez les rongeurs. Ces découvertes élargissent non seulement notre compréhension du codage de la direction de la tête dans la navigation spatiale humaine, mais contribuent également au développement d’applications de navigation plus naturelles et de réalité virtuelle.

Points Forts de l’Étude

• En combinant une conception expérimentale ingénieuse et un modèle de codage avant, l’étude a surmonté les limitations traditionnelles des technologies d’imagerie nécessitant une tête fixe, révélant pour la première fois des signaux de réglage précis de la direction de la tête chez les humains.
• Après contrôle des signaux visuels, auditifs et de l’activité musculaire, l’étude a clarifié les signaux neuronaux purement basés sur la direction de la tête.
• La combinaison des enregistrements EEG et iEEG a fourni une chaîne de preuves depuis l’activité électrique corticale jusqu’aux régions cérébrales plus profondes.

Cette recherche non seulement approfondit notre compréhension de la navigation cognitive chez l’humain, mais aide aussi à promouvoir les recherches en neurosciences dans des environnements plus naturels.